古埃及神秘的赫爾墨斯哲學(xué)被譽(yù)為西方的易經(jīng),在其7項(xiàng)宇宙密碼論說中的“振動原理”講到:“沒有任何東西是靜止的,一切都在動,一切都在振動(nothing rests,everything moves,everything vibrates)。”無偶,1918年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者德國科學(xué)家普朗克(max planck)認(rèn)為:大千世界的所有物質(zhì)都是由快速振動的量子組成的,物質(zhì)能量正比于其振動頻率以及層次。振動頻率反映了物質(zhì)中粒子的有序程度﹐從低到高分別對應(yīng)于熟知的物質(zhì)形態(tài):固體、液體、氣體和等離子體。在這4類物質(zhì)中,等離子體內(nèi)的粒子是無序的。在同一類物質(zhì)形態(tài)內(nèi)振動頻率也千差萬別,例如等離子體中的太陽風(fēng)約為9×104hz,日冕則約 為9×106hz,對等離子體而言,其振動頻率通常和等離子體密度的平方根成正比。1665年,荷蘭科學(xué)家惠更斯(christiaan huygens)提出的低頻能量轉(zhuǎn)換成高頻能量的共振原理可以解釋從固體、液體、氣體到等離子體逐級無序程度的提高。在高頻能量作用下,固體晶格空間被共振分解形成液體﹐液體粒子結(jié)合鍵被共振瓦解形成氣體,氣體中電子被共振脫離中性粒子束縛成為自由電子從而形成等離子體。
大體上講,等離子體是部分或電離的準(zhǔn)電中性氣體,由電子、正/負(fù)離子、中性粒子(激發(fā)態(tài)/基態(tài))、自由基、光子等組成。宇宙學(xué)理論認(rèn)為物質(zhì)的初形態(tài)是等離子體,從宇宙誕生之初10μs的夸克-膠子等離子體到3min的氫等離子體構(gòu)成的原子核時(shí)代。但人類認(rèn)知等離子體則是在1879年英國科學(xué)家克魯克斯(william crookes)研究電現(xiàn)象時(shí)的偶然發(fā)現(xiàn)。plasma這個希臘詞匯由美國科學(xué)家朗繆爾(irving langmuir)和托克斯(lewi tonks)在1929年提出,用來描述氣體放電管里的輝光等離子體。根據(jù)印度科學(xué)家沙哈(meghnad saha)估算:在浩瀚的宇宙中以及人類生存的地球上,大于99%的可見物質(zhì)都處于等離子體狀態(tài)。天然等離子體包括太空中的太陽核心、日冕及太陽風(fēng)等,自然界中的閃電、火焰及極光等。人造等離子體應(yīng)用數(shù)以千計(jì),經(jīng)典的應(yīng)用有電弧、干法蝕刻和熒光燈等。等離子體世界密度跨度近30個數(shù)量級,溫度跨度達(dá)8個數(shù)量級,其中天然等離子體間不是割裂的。例如地球大氣外側(cè)的磁層和電離層就是太陽輻射和宇宙射線激勵地球表面的大氣層而產(chǎn)生的;來自于日冕的日地之間的太陽風(fēng)與地球表面的磁層和電離層(均為等離子體)作用會在南北極產(chǎn)生極風(fēng)。等離子體另外一個重要分類方式是依據(jù)等離子體粒子溫度,可分為熱平衡、局部熱平衡和非熱平衡3種,其中非熱平衡等離子體有別于熱平衡以及局部熱平衡等離子體的一個主要特征是其電子溫度和離子溫度的二元性,即其電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其離子溫度,故常被稱為冷等離子體(屬于非熱平衡的低溫等離子體)。在太空、自然界和人造等離子體中都有冷等離子體存在,例如恒星際物質(zhì)、火焰、干法蝕刻和熒光燈。
等離子體世界博大精深,歷經(jīng)百年艱辛的探索,依然難以窺其全貌。援引中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉萬東教授世紀(jì)之初的素描來細(xì)細(xì)品味等離子體的特性:“等離子體中的兩性:相互獨(dú)立又相互扶持,平和時(shí)若即若離,逃逸時(shí)則攜手并肩;等離子體中的相互作用:長則綿綿,短則眈眈,遠(yuǎn)可及周天之外,近可抵唇齒之間;等離子體的集體行為:自由與束縛兼得,溫和與暴虐并存;等離子體的自洽稟性:可以欺之以嫵媚,不可催之以強(qiáng)蠻,若以力,人人奮憤可兵,以弱,則諾諾列隊(duì)而從。電子離子,以其簡潔的庫侖作用,本不堪言,然一成群體,即如此絢麗。”